JP2010507883A - Lightning protection device with air terminal that reacts in humidity / dry field - Google Patents

Lightning protection device with air terminal that reacts in humidity / dry field Download PDF

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Abstract

本願発明の雷用保護装置は、接地されたフランクリン・ロッドと、該フランクリン・ロッドに付随する、所定の周囲サイズを有する所定の全体形状を規定する導電デバイスと、を備える。上記雷用保護装置は、雷のリーダーが低下する期間中で上方向のリーダー開始要求が変化しないままでいるときに、雷の悪天候に付随する周囲地面の電界の下でのコロナ放電量を制限するように特別に工夫されている。また、上記雷用保護装置は、公害、昆虫、害虫、または水滴からの汚染に実質的に反応しないコロナ開始電圧を有する。
【選択図】図1
The lightning protection device of the present invention includes a grounded Franklin rod and a conductive device that is associated with the Franklin rod and defines a predetermined overall shape having a predetermined peripheral size. The lightning protection device limits the amount of corona discharge under the electric field on the surrounding ground that accompanies bad lightning weather when the leader start request in the upward direction remains unchanged during the lightning leader decline period Specially devised to do. The lightning protection device also has a corona onset voltage that is substantially insensitive to contamination from pollution, insects, pests, or water drops.
[Selection] Figure 1

Description

本願発明は、広くは雷用保護装置に関連し、より詳細には、一層改善された雷用保護装置に関連する。   The present invention relates generally to lightning protection devices, and more particularly to improved lightning protection devices.

雷放電の大部分は、主に負に充電された雲に関連することは、よく知られている。雷による衝撃の2つの主たるカテゴリーは、非常に高い構造物からの上方向への閃光、および負の下降するステップトリーダー(stepped leader)に関連する一層広範囲となる衝撃である。そのことは、「高層建築物に対する雷発生のモデリング、パートI:理論」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電(Power Delivery)関連、9巻、1号、1994年1月、162頁-171頁)、および「高層建築物に対する雷発生のモデリング、パートII:応用」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、9巻、1号、1994年1月, 172頁-193頁)に説明されている。負の下降するリーダーは、負の空間電荷のシース(sheath)に囲まれており、このシースが、負のリーダーが地面に近づくにつれて、接地された物体の全てに正の電荷を誘導するようになる。接地された一層高い構造物およびその近くの周辺物が、下降する負のリーダーの通路となり、接地された構造物上に誘導された電荷が、一層大きな影響を与えることとなる。   It is well known that the majority of lightning discharges are mainly related to negatively charged clouds. The two main categories of lightning shocks are the more extensive impacts associated with upward flashes from very high structures and negative stepped leaders. That is, “Modeling of lightning generation for high-rise buildings, Part I: Theory” (Farouk AMRizk, IEEE paper, Power Delivery, Vol. 9, No. 1, January 1994, pp. 162-171 ), And "Modeling of Lightning Occurrence for High-Rise Buildings, Part II: Applications" (Farouk AMRizk, IEEE papers, Vol. 9, No. 1, January 1994, pp. 172-193) Has been. The negative descending leader is surrounded by a negative space charge sheath that induces a positive charge on all of the grounded objects as the negative leader approaches the ground. Become. The higher grounded structure and its nearby surroundings will be the path of the descending negative leader, and the charge induced on the grounded structure will have a greater impact.

雷撃による電流は、中央値が25−35KAで、2〜3KAから2〜3百KAの広範囲で変化する統計的な変数であることは知られている。構造物が引きつける半径は、すなわち構造物が下降するリーダーを捕捉する、構造物周囲での最大半径の距離は、衝撃電流および構造物の高さの両方と共に増加することになり、この衝撃電流は、負の空間電荷のジャケット(jacket)に関連している。   It is known that the lightning strike current is a statistical variable with a median value of 25-35 KA and a wide variation from 2-3 KA to 2-3 KA. The radius that the structure attracts, that is, the distance of the maximum radius around the structure that captures the leader where the structure descends, will increase with both the impact current and the height of the structure, and this impact current will be Related to negative space charge jackets.

近年、長い空気ギャップの物理的破壊の研究における進展をベースにして、雷が衝突する種々の地面構造でのメカニズムに関する理解が、実質的に進歩してきている。特に、衝撃メカニズム内の接地物体で演じられる役割が、明解になってきている。詳細が、「直接的な雷撃に暴露された伝送ラインのモデリング」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、5巻, 1990年10月、1983頁-1997頁)に記載されており、モデリングは、引き付ける半径が、2つの部分を含むことを示している。すなわち、構造物から生じた正のリーダーが広がる大きな部分(major part)および、負のリーダーの先端と正のリーダーの先端との間での最終的なジャンプを構成する小さな部分(lesser part)の2つの部分を含む。   In recent years, based on progress in the study of physical destruction of long air gaps, there has been substantial progress in understanding the mechanisms in various ground structures where lightning strikes. In particular, the role played by grounded objects within the impact mechanism is becoming clearer. Details are described in "Modeling of Transmission Lines Exposed to Direct Lightning Strike" (Farouk AMRizk, IEEE paper, Power Supply, Vol. 5, October 1990, pp. 1983-1997). Indicates that the attractive radius includes two parts. That is, the major part that the positive leader from the structure spreads and the lesser part that constitutes the final jump between the tip of the negative leader and the tip of the positive leader Includes two parts.

静電気学による電界解析は、接地された何かの構造物の表面および近接場における初期段階での電界の増大が、雲の電荷及び/又は下降する負のリーダーによって、上記接地された構造物に導かれる正の電荷によって主に生じ、そこでの電界の量は、雲の電荷及び/又は下降する負のリーダー自身によるので、バックグランド(background)の電界をはるかに越えることを示している。誘導された電荷で生じる電界の開始は、接地された物体の構造的な特徴にもよるが、周辺空気のイオン化が発生したときに、コロナ放電および正のストリーマー(streamer)の形成を生じさせながら達成される。正のストリーマーの長さは、接地された構造物の形状および誘導された正の電荷にもよるが、メートルの領域まで成長することができる。   Electrostatic field analysis shows that the initial increase in electric field at the surface and near-field of some grounded structure is caused by the cloud charge and / or the negative reader moving to the grounded structure. It is mainly caused by the positive charge introduced, indicating that the amount of electric field there is far beyond the background electric field because of the cloud charge and / or the descending negative reader itself. The onset of the electric field generated by the induced charge depends on the structural characteristics of the grounded object, but causes the formation of a corona discharge and positive streamer when ionization of ambient air occurs. Achieved. The length of the positive streamer can grow to the meter range, depending on the shape of the grounded structure and the induced positive charge.

「スイッチング・インパルス・リーダーの開始と長い空気ギャップでの破壊のためのモデル」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、1号、1989年1月、596頁-606頁)および「空気絶縁体のスイッチング・インパルスの強度:リーダー開始の判定基準」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、4号、1989年10月、2187頁-2195頁)で、詳細が記載されているように、正のストリーマーが、臨界サイズに到着したとき、高度に誘導されたステム(stem)が、構造物のストリーマー・ジャンクションにおいて形成され、この結果、正のリーダーが形成される。傾きの平均が、約400−500KV/mを有する正のストリーマーに反して、リーダーの傾きは、リーダー電流および電流が存在する継続時間の両方の関数となる。1Aの電流にとって、リーダーの傾きは、30−50kV/mとなり、すなわち正のストリーマーの傾きの約10分の1であるが、しかし100Aのオーダーのリーダー電流にとっては、リーダーの傾きは、2−3kV/mと等しい低い傾きで下降していくことになる。このことは、正のストリーマーに反して、正のリーダーは、非現実的な高い電位を要求されることなく、100mの範囲内の距離を移動することができることを意味する。   "A model for switching impulse reader initiation and destruction in long air gaps" (Farouk AMRizk, IEEE papers, Vol. 4, No. 1, January 1989, pages 596-606) and For details, refer to “Intensity of switching impulse of air insulator: Criteria for starting leader” (Farouk AMRizk, IEEE paper, power supply, Vol. 4, No. 4, October 1989, pp. 2187-2195). As described, when a positive streamer arrives at a critical size, a highly induced stem is formed at the streamer junction of the structure, resulting in a positive leader. . Contrary to a positive streamer with an average slope of about 400-500 KV / m, the leader slope is a function of both the leader current and the duration that the current is present. For a current of 1 A, the leader slope is 30-50 kV / m, ie about one tenth of the positive streamer slope, but for a leader current of the order of 100 A, the leader slope is 2- It descends with a low slope equal to 3 kV / m. This means that, contrary to a positive streamer, a positive leader can travel a distance in the range of 100 m without requiring an unrealistic high potential.

接地構造から発生する正のリーダーの全てが、下降している負のリーダーと、最終ジャンプ内で衝突するような軌道を完成させるわけでないことに注目することは重要である。正のリーダーが、構造物から遠方へ遠方へと移動するにつれて、この移動動作は、リーダー先端より先の空間電位および電界のパラメータによって益々支配されることになる。リーダー先端は、下降しているリーダーの電荷によって益々決定され、そして接地された構造物によっては益々決定されなくなる。状態が、継続する伝播にとって不適切になったとき、正のリーダーは停止し、そして、正のストリーマー/正のリーダーのプロセスをスタートさせた関連する接地された構造物は、被雷されなくなる。   It is important to note that not all positive leaders originating from the grounding structure will complete a trajectory that collides with the descending negative leader in the final jump. As the positive leader moves farther away from the structure, this movement is increasingly governed by space potential and electric field parameters beyond the leader tip. The leader tip is increasingly determined by the charge of the descending leader and is less determined by the grounded structure. When the situation becomes unsuitable for continued propagation, the positive leader stops and the associated grounded structure that started the positive streamer / positive leader process is no longer subjected to lightning.

下方向の負の雷によって雷撃を受けた物体は、誘導された正の電荷のおかげで、正のリーダーの形成を生じさせる長い正のストリーマーの生成に「成功」している。この正のリーダーは、いわゆる最終ジャンプのために、接近中の下降する負の雷のリーダーと出会うために、増加中の電界区域内を進行する。この最終ジャンプは、上昇する正のリーダーの先端と下降する負の雷のリーダーの先端との間の平均電圧の傾きが、500−600kV/mに達したときに発生する。従って、目標を、保護対象物体の対応する可能性に対して、雷用ロッドへの雷撃の可能性を最大するとき、上記目標は、ロッドの先端の状態が、長い正の上昇するストリーマー/リーダーを生成するのに理想的であるときに、非常に有利になるであろう。   An object that has been struck by a downward negative lightning has "successfully" created a long positive streamer that, due to the induced positive charge, results in the formation of a positive leader. This positive leader travels in an increasing electric field area to meet the approaching descending negative lightning leader for a so-called final jump. This final jump occurs when the average voltage slope between the tip of the rising positive leader and the tip of the falling negative lightning leader reaches 500-600 kV / m. Thus, when maximizing the possibility of a lightning strike to a lightning rod relative to the corresponding possibility of a protected object, the target is a streamer / leader whose rod tip condition is long and positive. Would be very advantageous when it is ideal to produce

雷用保護の実務は、2つの広いカテゴリーに分類することができる。第1は、フランクリン・ロッドまたは架空地線の種々の実施であって、この実施の目的は、雷撃の電流に対して地面への優先的な経路を与えて、可能性のある損害を防ごうとするものである。大部分において、これらのシステムは、雷撃が発生する可能性に対して影響を及ぼすことを主張することができない。   Lightning protection practices can be divided into two broad categories. The first is the various implementations of Franklin rods or overhead ground wires, the purpose of which is to provide a preferential path to the ground for lightning strike currents to prevent possible damage. It is what. For the most part, these systems cannot claim to have an impact on the potential for lightning strikes.

従来の雷用ロッドの機能は、下方向のステップトリーダーの発生を先行させる周囲地面電界への反応に影響を受けていることに注目すべきである。上記周囲地面電界は、晴天時において通常は数百V/mのオーダーであるが、雷に先行する雲での帯電により、2KV/m−20Kv/mの範囲内で変化することがある。このことは、G. Simpson が、「不安定な天候における大気電気」(地球物理学・学会誌、英国気象庁、ロンドン、84号、1949年、1頁-51頁)において説明している。   It should be noted that the function of a conventional lightning rod is influenced by the reaction to the surrounding ground electric field that precedes the generation of a downward stepped leader. The ambient ground electric field is usually on the order of several hundred V / m in fine weather, but may change within a range of 2 KV / m-20 Kv / m due to charging with clouds preceding lightning. This is explained by G. Simpson in "Atmospheric electricity in unstable weather" (Geophysics / Academic Journal, British Meteorological Agency, London, 84, 1949, pp. 1-51).

上記電界は、リーダーが下降する間の連続する電界変化に比較して相対的に遅い時間で変化し、雷の嵐の間、数分間まで持続することができる。このことは、「雷の測定技術」(1号、13章、R.H.Golde 編集、1977年、441頁)内で、R.B.Anderson によって述べられている。しかし、連続する雷の放電の間に、雲の充電再生が、10秒程度の間隔で、遅い周囲電界を発生させることになる。このことは、「雷保護に対する新しい取り組みへの批判的論評」(米国気象学会、2002年12月、1809頁−1820頁)内で、M.A. Uman および V.A. Rakov によって、詳しく述べられている。上記から、雷用ロッドは、一般的に混合型のストレスに晒され、すなわち周囲地面の電界によって緩やかに変化する成分を伴いながら、下降するリーダーによって非常に高速な成分に追従されることは明白である。雷用ロッドは、周囲地面電界により重要な空間電荷を生成することで、自己保護をするようになる。このことは、「近接の衝撃に反応する雷用ロッドの測定」(地球物理研究レター、27巻、10号、2000年 5月15日、1487頁−1490頁)内で、C.B. Moore、 G.D. Aulich、および W, Rison によって述べられている。上記自己保護が、下降するステップトリーダーに反応して望ましいストリーマー/リーダーの形成を妨げるようになる。この意見は、混合された電圧下での長い空気ギャップでの高電圧実験によって確認されており、この内容は、「直流電圧と、直流電圧に重畳するスイッチング・サージとを伴う、大きな空気ギャップでのフラッシュ・オーバー試験」(IEEE 論文、 PAS-89 巻、1970年 5月/6月、781頁〜788頁)内で、N.Knudsen および F.IIiceto によって、説明されている。   The electric field changes at a relatively slow time compared to a continuous electric field change while the leader descends and can last up to several minutes during a thunder storm. This is described by R.B.Anderson in “Thunder Measurement Techniques” (No. 1, Chapter 13, edited by R.H. Golde, 1977, p. 441). However, during successive lightning discharges, cloud charging and regeneration will generate a slow ambient electric field at intervals of about 10 seconds. This is described in detail by M.A.Uman and V.A.Rakov in “A Critical Review of New Approaches to Lightning Protection” (American Meteorological Society, December 2002, pp. 1809–1820). From the above, it is clear that lightning rods are generally subject to mixed stresses, i.e. they follow a very fast component by a descending leader, with a component that slowly changes with the electric field on the surrounding ground. It is. Lightning rods are self-protecting by generating important space charges from the surrounding ground electric field. This is described in CB Moore, GD Aulich in “Measurement of Lightning Rods Responding to Proximity Impact” (Geophysics Research Letter, Vol. 27, No. 10, May 15, 2000, pages 1487–1490). , And by W, Rison. The self-protection will react to the descending stepped leader and prevent the formation of the desired streamer / leader. This opinion has been confirmed by high voltage experiments with long air gaps under mixed voltage, which includes: “With large air gaps with DC voltage and switching surge superimposed on DC voltage. N. Knudsen and F. IIiceto in the “Flash Over Test” (IEEE paper, PAS-89, May / June 1970, pp. 781-788).

上記試験において、正の直流電圧によって生成されたコロナ空間電荷が、リーダーの開始電圧内の増加を導く正のスイッチング・インパルスの適用を先行させること、これに対応して、長い空気ギャップ内の複合の破壊電圧を増加させることにストレスを加える。このことは、上記最後に挙げた参照文献内で述べられている。   In the above test, the corona space charge generated by the positive DC voltage is preceded by the application of a positive switching impulse that leads to an increase in the starting voltage of the reader, correspondingly compounded in the long air gap. Adding stress to increasing the breakdown voltage. This is described in the last cited reference above.

更に、「大きな空気ギャップでのスイッチング・サージの強度;物理的手法」(IEEE 論文、パワー装置及びシステムの関連、PAS-95巻、2号、1976年 3月/4月、512頁〜524頁)内で、G.Carrara、および L.Thione によって述べられているように、大きな空気ギャップでの正のスイッチング・インパルスによる破壊試験および付随する現象のモデリングは、どんなギャップ長さであっても、リーダーの開始電圧は、一定の臨界値以下に留まる限り、高ストレス下の電極の曲率半径とは無関係であることが確認された。一定の臨界値以下の電極の半径にとって、コロナ開始電圧は、リーダーの開始電圧よりも低く、そのためコロナ放電は、リーダーの形成よりも先行することになる。一方の臨界値に等しいか、または大きい半径のロッドにとって、コロナ開始電圧とリーダーの開始電圧とが、一致することになる。   Furthermore, “Strength of switching surge in a large air gap: Physical method” (IEEE paper, power device and system relations, PAS-95, No. 2, March / April 1976, pp. 512-524) ), As described by G. Carrara and L. Thione, destructive testing with positive switching impulses in large air gaps and modeling of the accompanying phenomena, regardless of gap length, It was confirmed that the leader starting voltage is independent of the radius of curvature of the electrode under high stress as long as it stays below a certain critical value. For electrode radii below a certain critical value, the corona onset voltage is lower than the leader onset voltage, so the corona discharge will precede the formation of the leader. For a rod with a radius equal to or greater than one of the critical values, the corona onset voltage and the leader onset voltage will match.

「直接的な雷撃への伝送ライン暴露のモデリング」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、5巻, 1990年10月、1983頁-1997頁)、および「スイッチング・インパルス・リーダーの開始及び長い空気ギャップの破壊に関するモデル」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、1号、1989年1月、596頁-606頁)内において、一手法が、空気ギャップの長さ(すなわち、地面より上にある雷用ロッド)に、正のリーダーの開始電圧への依存を形成することを提示している。また、上記参照文献は、地面より上にある雷用ロッド用のギャップ長または雷用ロッド用の高さのための臨界の半径値を決定する一手法を提供してくれる。   "Modeling of transmission line exposure to direct lightning strike" (Farouk AMRizk, IEEE paper, power supply, Vol. 5, October 1990, 1983-1997), and "Initiation of switching impulse reader and In the “Model for Fracture of Long Air Gap” (Farouk AMRizk, IEEE Paper, Power Supply, Vol. 4, No. 1, January 1989, pp. 596-606), one approach is to determine the length of the air gap ( In other words, it proposes to form a dependency on the starting voltage of the positive leader (thunder rod above the ground). The above references also provide a way to determine the critical radius value for the lightning rod gap length or lightning rod height above the ground.

フランクリン・ロッドの別の変形例は、アーリー・ストリーマーのエミッタ・システム(Early Streamer Emission System)であり、これは、フランスの規格NFC−17−102「アーリー・ストリーマーのエミッタ・ターミナルを使用した、雷に対する構造物と開放エリアの保護」(1995年7月、英訳版発行)に記載されている。ここでのアイデアは、ストリーマーのプロセスをより早く開始させるいくつかの手段があるとき、このことが、雷用ロッドを一層効率良くすると考えたものである。しかし、適切なサイズのアーリー・ストリーマーの開始は、上方向の正のリーダーの形成に導いたときであっても、連続する接続プロセスを保証するものではない。上方向のリーダーが接地された構造物を離れた後の短期間に、リーダーの伝播が、接地された構造物での初期状態によるのではなく、下降するステップトリーダーによって生成された周囲電界条件によって抑制されることになる。あまりにも早期に生成された上方向のリーダーは、簡単に中断させられることになり、上方向のリーダーおよび下降するリーダーの間での最終ジャンプによって終了する連続する接続プロセスに導けないようになる。   Another variation of Franklin Rod is the Early Streamer Emission System, which uses the French standard NFC-17-102 “Early Streamer Emitter Terminal, "Protection of structures and open areas against" (published in English in July 1995). The idea here is that when there are several ways to start the streamer process earlier, this is what makes the lightning rod more efficient. However, the initiation of an appropriately sized early streamer does not guarantee a continuous connection process, even when led to the formation of an upward positive leader. In the short time after the upward leader leaves the grounded structure, the propagation of the leader is not due to the initial state in the grounded structure, but due to the ambient electric field conditions generated by the descending stepped leader. Will be suppressed. An upward leader generated too early will be easily interrupted and will not lead to a continuous connection process that ends with a final jump between the upward leader and the descending leader.

米国特許番号第6,320,119号(Gumley 出願)に記載されているフランクリン・ロッドの別の変形例は、雷用保護装置が晒されている電界が、ストリーマー/リーダーの伝播をトリガーするのに十分になるまでの間、コロナ活動を制限するのに十分なサイズを有する曲線の導電性表面の使用を介してコロナの放電量を制限しようと試みるものである。しかし、この手法は、雷に通常伴う害虫、昆虫、および水滴による曲線の導電性表面への汚染の効果を考慮することが不足している。これらの汚染は、通常状態の雷用ロッドの開始電圧に近づこうとする、大きな曲線の導電性表面でのコロナ開始電圧を低減させることになる。このため、雷用保護装置は、単に湿るまたは汚染しただけで、該装置は、大きな曲線の半径を有する導電性表面の目的を駄目にするような典型的な周囲地面の電界において、コロナを生成することになる。   Another variation of the Franklin rod described in US Pat. No. 6,320,119 (Gumley application) is that the electric field to which the lightning protection device is exposed is sufficient to trigger the streamer / reader propagation. In the meantime, it attempts to limit the amount of corona discharge through the use of a curvilinear conductive surface having a size sufficient to limit corona activity. However, this approach is deficient in considering the effect of contamination of the curved conductive surface by pests, insects, and water drops normally associated with lightning. These contaminations will reduce the corona onset voltage at the large curved conductive surface which tends to approach the onset voltage of the lightning rod in normal conditions. For this reason, lightning protection devices are simply moistened or contaminated, and the device eliminates the corona in a typical ambient ground electric field that would defeat the purpose of a conductive surface with a large curvilinear radius. Will be generated.

雷保護実務の他の広いカテゴリーを、「消散システム(dissipation systems)」と呼ぶことができ、米国特許番号第5,043,527号(Carpenter 出願)、米国特許番号第4,910,636号(Sadler、他 出願)、および米国特許番号第4,605,814号(Gillem 出願)は、そのように記載している。これらのシステムでは、空間電荷を生成するために、電線若しくはロッドのポイントまたは先端を使用している。発明の装置をどう機能させるかの方法において、科学的基礎に欠けるまたは無いような、いくつかの矛盾する文章が存在する。ある消散システムは、空間電荷の生成が、雲の負電荷を中性化させることができ、この結果、雷を低減させることができるような主張を提案しているが、これは、非現実的なタスクである。別の消散システムは、保護された構造物からのイオンの分散が、堆積した電荷を下方向に吹くことで低減させるか、または電荷した雲および保護された構造物の間での電位差を低減若しくは最小化するような主張を提案している。   Another broad category of lightning protection practices can be referred to as “dissipation systems”, US Pat. No. 5,043,527 (Carpenter application), US Pat. No. 4,910,636 (Sadler et al.), And US Patent No. 4,605,814 (Gillem application) states that. These systems use wire or rod points or tips to generate space charge. There are several conflicting texts that may or may not have a scientific basis in how the inventive device works. Some dissipative systems have proposed the claim that space charge generation can neutralize the negative charge of the cloud and, as a result, reduce lightning, which is unrealistic Task. Another dissipative system reduces the dispersion of ions from the protected structure by blowing the deposited charge downward, or reduces the potential difference between the charged cloud and the protected structure, or Proposes a minimizing claim.

上記主張は、もちろん物理的に無意味であり、何故なら、接地された構造物上に誘導された電荷(イメージ)は、雲に誘導された電荷または下降するリーダーが、留まり、かつ周囲の空気に分散することができない限り、その場に留まる抑制された電荷だからである。更に、金属が、正のイオンを放出しないことは、確定した科学的事実である。それどころか、正の空間電荷は、イオン化プロセスによって形成され、このプロセスは、電極(構造)で収集され、周囲の空気内に正イオン空間電荷を放置する地面に注入される電子を生みだす。また、雲および接地された対象物の間の電位を変化させることは、必然的に雲の電位を変化させる非現実的なタスクを意味する。何故なら、接地された構造物は、規定しているように、雷による衝撃でも無い限り、地面の電位に等しく、かつ常に地面の電位に留まるからである。   The above assertion is of course physically meaningless, because the charge induced on the grounded structure (image) is the charge induced in the cloud or the descending leader stays and the ambient air This is because it is a suppressed charge that stays in place as long as it cannot be dispersed. Furthermore, it is a definite scientific fact that metals do not release positive ions. On the contrary, the positive space charge is formed by an ionization process, which produces electrons that are collected at the electrodes (structure) and injected into the ground leaving the positive ion space charge in the surrounding air. Also, changing the potential between the cloud and the grounded object inevitably means an unrealistic task that changes the potential of the cloud. This is because the grounded structure, as specified, is equal to the ground potential and always remains at the ground potential, unless it is impacted by lightning.

従って、既知の従来技術の装置よりも一層効率良いであろう、改良された雷用保護装置を提供することが要求されている。   Accordingly, there is a need to provide an improved lightning protection device that would be more efficient than known prior art devices.

本願発明の目的は、種々の環境条件におけるコロナ開始およびリーダー開始の制御に関連する。   The object of the present invention relates to the control of corona initiation and leader initiation in various environmental conditions.

従って、本願発明の目的は、下記の技術的特徴を提供する。
・雷用ロッドは、雷のリーダーの低下期間中で、上方向のリーダー開始要求が変化しないままでいるときに、雷の悪天候に付随する周囲地面下でのコロナ放電の量を制限する。
・雷用ロッドは、ロッド内のコロナ開始電圧が、公害、昆虫、害虫、または水滴からの汚染に対して、実質的に影響されないようにする。
Accordingly, the object of the present invention provides the following technical features.
• Lightning rods limit the amount of corona discharge below the surrounding ground associated with bad lightning weather conditions during the period of lightning leader decline, when the upward leader initiation requirements remain unchanged.
The lightning rod ensures that the corona onset voltage in the rod is not substantially affected by pollution, insects, pests, or contamination from water drops.

本願発明の目的によれば、以下の雷用保護装置が提供される。
この雷用保護装置は、接地されたフランクリン・ロッドと、該フランクリン・ロッドに取り付けられ、所定の周囲サイズを有する所定の全体形状を規定する導電デバイスとを備える。上記導電デバイスは、連続する上方向のリーダー開始空間電位が周囲地面の最大電界の空間電位より以下となる地面から上にある所定の位置のために、乾燥状態および湿潤状態の両状態において、上記保護装置のコロナ開始空間電位が上記連続する上方向のリーダー開始空間電位と一致するような形状とサイズとを有する。
さらに、上記導電デバイスは、上記連続する上方向のリーダー開始空間電位が上記周囲地面の最大電界の空間電位を越える地面から上にある他の所定の位置のために、上記保護装置のコロナ開始空間電位が、上記周囲地面の最大電界の空間電位より上であって、かつ上記連続する上方向のリーダー開始空間電位より下にあって、上記保護装置のコロナ開始空間電位が、汚染について表面突起部で実質的に無反応であるような形状とサイズとを有する。
According to the object of the present invention, the following lightning protection device is provided.
The lightning protection device includes a grounded Franklin rod and a conductive device attached to the Franklin rod and defining a predetermined overall shape having a predetermined peripheral size. The conductive device has a predetermined position above the ground where the continuous upward leader starting spatial potential is less than the spatial potential of the maximum electric field of the surrounding ground, so in both dry and wet conditions The protective device has a shape and size such that the corona start space potential of the protection device matches the continuous upward leader start space potential.
Further, the conductive device may have a corona start space of the protection device for other predetermined positions above the ground where the continuous upward leader start space potential exceeds the space potential of the maximum electric field of the surrounding ground. The potential is above the space potential of the maximum electric field of the surrounding ground and below the continuous upward leader start space potential, and the corona start space potential of the protective device is a surface protrusion for contamination. And have a shape and size that are substantially unreactive.

好ましい実施例において、導電デバイスは、複数の金属性のトロイド(toroids)を含み、トロイドの各々は、一定の離れた空間的関係において上記フランクリン・ロッドと結合している。一層好ましくは、上記トロイドの各々は、所定の大直径(major diameter)と所定の小直径(minor diameter)と有し、全体の形状を、球形状また楕円形状として規定するように配置される。   In a preferred embodiment, the conductive device includes a plurality of metallic toroids, each toroid being associated with the Franklin rod in a fixed spatial relationship. More preferably, each of the toroids has a predetermined major diameter and a predetermined minor diameter and is arranged to define the overall shape as spherical or elliptical.

更に好ましい実施例において、最大周囲電界Egmおよび地面からのフランクリン・ロッドの実効高さがhのときの最大空間電位は、Ugm=Egm・h、で規定され、または連続する正のリーダー開始電位UIcは、UIc=1556/(1+3.89/h)、(kV,m)で規定される。最大電界は、Eci(r)=2300[1+0.224/(2r)0.37]、(kV/m,m)を満足し、この式で、Eciは、コロナ開始電界を示し、rは、トロイドの小半径を示す。 In a more preferred embodiment, the maximum space potential when the maximum ambient electric field E gm and the effective height of the Franklin rod from the ground is h is defined by U gm = E gm · h or a continuous positive reader The starting potential U Ic is defined by U Ic = 1556 / (1 + 3.89 / h), (kV, m). The maximum electric field satisfies E ci (r) = 2300 [1 + 0.224 / (2r) 0.37 ], (kV / m, m), where E ci represents the corona starting electric field, and r is Indicates the small radius of the toroid.

本願発明および関連する種々の有利な点は、添付図面を参照してなされる好ましい実施例に関する以下の限定されない記述を読むことで、一層理解されるであろう。   The present invention and various related advantages will be better understood by reading the following non-limiting description of preferred embodiments made with reference to the accompanying drawings.

本願発明の好ましい実施例により、地面に設置された雷用保護装置の側面図である。1 is a side view of a lightning protection device installed on the ground according to a preferred embodiment of the present invention; FIG. 本願発明の別の好ましい実施例により、保護すべき構造物の頂点に搭載された雷用保護装置の側面図である。FIG. 4 is a side view of a lightning protection device mounted on the top of a structure to be protected according to another preferred embodiment of the present invention. 図1および図2に示した雷用保護装置の平面図である。FIG. 3 is a plan view of the lightning protection device shown in FIGS. 1 and 2.

本願発明を実施例との関連で説明することになるが、この説明が本願発明の範囲を実施例の範囲に制限しようと意図するものでないことは理解されるであろう。むしろ、説明は、添付した「特許請求の範囲」内で規定するような、代替例、変形例、および均等な実施例の全てをカバーするものである。   While the present invention will be described in connection with the examples, it will be understood that this description is not intended to limit the scope of the invention to the scope of the examples. Rather, the description is intended to cover all alternatives, modifications, and equivalent embodiments as defined in the appended claims.

以下の記述において、図面内において同様な機能は、同様な参照番号を与えており、いくつかの要素は、図を明解にするために、当該要素が先行する図において既に識別されるときは、後の図において言及しないことがある。   In the description that follows, like functions in the drawings are given like reference numerals, and for the sake of clarity, some elements are identified when they are already identified in the preceding figures. May not be mentioned in later figures.

本願発明は、雷用保護装置に関するものであり、またエアー・ターミナルとも呼ばれる装置に関するものであり、当該装置は、最適なデザインを特徴づけるのに必要と思われる以下の条件を満足している。
1.エアー・ターミナルは、どの位置にあろうとも、ステップトリーダーの下降に先行して、周囲地面の電界の実際的な値によって生じる空間電位に晒されることで、コロナを発生することはない。また、以下でも示すように、上記要求は、地面からの実効ある高さhを満たすことができ、または一定の制限高さhoを超えない、大規模な接地された構造物からの実効ある高さhを満たすことができる。上記要求は、正の上方向のリーダー開始が、遅く変化する周囲電界から影響されることなく、エアー・ターミナルの自己防衛の傾向を防ぐことを保証することになるであろう。
2.上記で設定された制限を越える、実効あるエアー・ターミナルの高さのために、エアー・ターミナル電極のコロナ開始電圧は、地面または接地された構造物の上にあるエアー・ターミナル位置での空間電位のせいで、リーダー開始電圧と一致することが要求されるであろう。一方で、この要求は、雷用保護装置を雷撃から自己防衛させ、引き付ける距離を制限するような、コロナの空間電荷の生成がないことを保証するであろう。
3.雷用保護装置は、雨による水滴、および大きな円滑な電極上のコロナ開始電界を著しく低減させる傾向にある汚染物による別の突起部に実質的に無反応になるであろう。この要求は、重要である。何故なら、雷には、雨が通常付随しており、また、小さな導電の突起部は、現実の電界条件のもとでは避けることができないからである。
The present invention relates to a lightning protection device, and also to a device called an air terminal, which satisfies the following conditions that are considered necessary to characterize an optimal design.
1. Regardless of the position, the air terminal is not subject to corona by being exposed to the space potential caused by the actual value of the electric field on the surrounding ground prior to the stepped leader descent. Also, as will be shown below, the above requirement can satisfy an effective height h from the ground, or an effective height from a large grounded structure that does not exceed a certain restricted height ho. Satisfaction h can be satisfied. The above requirement will ensure that positive upward leader initiation is prevented from the slow-changing ambient electric field and prevents the self-defense tendency of the air terminal.
2. Because of the effective air terminal height that exceeds the limits set above, the corona onset voltage of the air terminal electrode is the spatial potential at the air terminal location above the ground or grounded structure. Because of this, it will be required to match the leader start voltage. On the other hand, this requirement will ensure that there is no generation of corona space charge, which makes the lightning protection device self-protecting from lightning strikes and limiting the distance of attraction.
3. The lightning protection device will be substantially unresponsive to rain drops and other protrusions due to contaminants that tend to significantly reduce the corona onset field on large smooth electrodes. This requirement is important. This is because lightning is usually accompanied by rain, and small conductive protrusions cannot be avoided under real field conditions.

実効ある高さは、以下のように決定されるであろう。
1.平らな地面の上にあるエアー・ターミナルにとって、実効ある高さhは、エアー・ターミナルの物理的高さになるであろう。
2.平らな地面の上にある細長い構造物の上のエアー・ターミナルにとって、実効ある高さhは、エアー・ターミナルおよび細長い構造物の物理的高さの合計になるであろう。
3.天井の寸法が、エアー・ターミナルの長さ以上に大きな、巨大な構造物にとって、実効ある高さは、上記(1)のようなエアー・ターミナルの物理的長さになるであろう。
4.上記記載に含まれないトポロジーにとって、実効ある高さは、周囲地面の最大電界での空間電位およびリーダー開始の空間電位を計算するために、電界の計算によって決定される。この計算方法は、「高層建築物に対する雷発生のモデリング、パートI:理論」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、9巻、1号, 1994年1月、162頁-171頁)および、また「空気絶縁体でのスイッチング・インパルスの強度:リーダー開始の判定基準」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、4号、1989年10月、2187頁-2195頁)に記載されている。
The effective height will be determined as follows.
1. For an air terminal on a flat ground, the effective height h will be the physical height of the air terminal.
2. For an air terminal above an elongated structure on flat ground, the effective height h will be the sum of the physical height of the air terminal and the elongated structure.
3. For large structures where the ceiling dimensions are larger than the length of the air terminal, the effective height would be the physical length of the air terminal as in (1) above.
4). For topologies not included in the above description, the effective height is determined by calculating the electric field in order to calculate the spatial potential at the maximum electric field of the surrounding ground and the spatial potential at the start of the reader. This calculation method is described in “Modeling of lightning occurrence for high-rise buildings, Part I: Theory” (Farouk AMRizk, IEEE paper, power supply, Vol. 9, No. 1, January 1994, pp. 162-171) and In addition, it is described in “Intensity of switching impulse in air insulator: criteria for starting leader” (Farouk AMRizk, IEEE paper, power supply, Vol. 4, No. 4, October 1989, pp. 2187-2195). ing.

図1〜図3において、本願発明の一般的な原理による雷用保護装置10が示されている。図1において、雷用保護装置10は、地面12の上に搭載されており、一方、図2において、雷用保護装置は、保護すべき構造物14の頂上に搭載されている。図示のように、本願発明による雷用保護装置10は、接地されたフランクリン・ロッド16と、該フランクリン・ロッド16に取り付けられ、所定サイズの周囲において所定の全体形状20を規定するような導電デバイス18と、を備えている。本願の明細書を読むことで一層明解に理解できるように、導電デバイス18は、連続する上方向のリーダー開始空間電位が周囲地面の最大電界の空間電位より以下である地面から上にある所定の位置のために、乾燥状態および湿潤状態の両状態において、上記保護装置のコロナ開始空間電位が、上記連続する上方向のリーダー開始空間電位と一致するような、特別な形状およびサイズをしている。さらに、導電デバイス18は、上記連続する上方向のリーダー開始空間電位が上記周囲地面の最大電界の空間電位を越える地面から上にある他の所定の位置のために、上記保護装置のコロナ開始空間電位が、上記周囲地面の最大電界の空間電位より上であって、かつ上記連続する上方向のリーダー開始空間電位より下であって、上記保護装置のコロナ開始空間電位が、汚染に関して表面突起部で実質的に無反応であるような、特別な形状およびサイズをしている。好都合なことに、デバイスのコロナ開始の空間電位は、汚染、例えば、汚染物、害虫、昆虫、水滴による汚染に関して、表面の突起部で実質的に無反応なことである。   1 to 3, a lightning protection device 10 according to the general principle of the present invention is shown. In FIG. 1, the lightning protection device 10 is mounted on the ground 12, while in FIG. 2, the lightning protection device is mounted on the top of the structure 14 to be protected. As shown, a lightning protection device 10 according to the present invention includes a grounded Franklin rod 16 and a conductive device attached to the Franklin rod 16 and defining a predetermined overall shape 20 around a predetermined size. 18. As can be more clearly understood by reading the specification of the present application, the conductive device 18 has a predetermined upside ground potential where the continuous upward leader starting spatial potential is less than the spatial potential of the maximum electric field of the surrounding ground. Due to the position, it has a special shape and size such that in both dry and wet conditions, the corona start space potential of the protective device coincides with the continuous upward leader start space potential. . In addition, the conductive device 18 may have a corona start space of the protective device for other predetermined locations above the ground where the continuous upward leader start space potential exceeds the spatial potential of the maximum electric field of the surrounding ground. The potential is above the spatial potential of the maximum electric field of the surrounding ground and below the continuous upward leader starting spatial potential, and the corona starting spatial potential of the protective device is a surface protrusion with respect to contamination. It has a special shape and size that is substantially unreactive. Conveniently, the device's corona-initiated space potential is substantially unreactive at surface protrusions with respect to contamination, eg, contamination by contaminants, pests, insects, water droplets.

勿論、従来型の下方の導電物と接地システムは、NFPA(米国防火協会)規格780の要求仕様を満足するように変更されないままである。   Of course, the conventional lower conductor and grounding system remains unchanged to meet the requirements of NFPA (American Fire Protection Association) Standard 780.

図示の好ましい実施例において、導電デバイス18には、有利なことに、ロッド16に沿って適切に配置された、複数の金属のトロイド22が供給されている。このトロイド22は、フランクリン・ロッド16の周囲および該ロッド16に対して電気的に結合され、かつ好ましいことに互いに個別に電気的に結合している。図示のように、各トロイド22は、所定の大直径を有し、この大直径は、フランクリン・ロッド16の周囲での球形として、全体の形状20を規定するように配置される。また、図示していないが、代替の実施例として、該ロッド16の周囲に楕円の形状を形成するように、トロイド22を搭載するように構想することもできる。図1に関連して、種々のパラメータを以下で規定するが、rはトロイドの小半径であり、Rは最も広いトロイドの全体半径であり、nはトロイドの数であり、hは、中央のトロイドの地面からの高さである。   In the preferred embodiment shown, the conductive device 18 is advantageously provided with a plurality of metal toroids 22 suitably disposed along the rod 16. The toroids 22 are electrically coupled to and around the Franklin rod 16 and are preferably electrically coupled to each other individually. As shown, each toroid 22 has a predetermined large diameter, which is arranged to define the overall shape 20 as a sphere around the Franklin rod 16. Although not shown, as an alternative embodiment, it can be envisaged that the toroid 22 is mounted so as to form an elliptical shape around the rod 16. In connection with FIG. 1, various parameters are defined below, where r is the toroid's small radius, R is the widest toroid's overall radius, n is the number of toroids, and h is the center radius. The height of the toroid from the ground.

上記で概要を説明した本願発明の雷用保護装置は、具体的には以下の条件を満足するようにデザインされる。
エアー・ターミナルの実効的な高さhを考え、エアー・ターミナルの高さまたは長さに沿った最大の周囲電界での平均値は、Egmに相当すると考える。これに対応して、遅い周囲地面の電界によって生成される最大空間電位は、下式で得られる。
gm=Egm・h …(1)
平らな地面から適度の高さのエアー・ターミナルでの典型的なEgmの値は、「不安定な天候における大気電気」(地球物理学・学会誌、英国気象庁、ロンドン、84号、1949年、1頁-51頁)において、G.Simpsonによって説明されているように20kV/mになるであろう。更に、「スイッチング・インパルス・リーダーの開始と長い空気ギャップの破壊のためのモデル」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、1号、1989年1月、596頁-606頁)」、また「空気絶縁体のスイッチング・インパルスの強度:リーダー開始の判定基準」(Farouk A.M.Rizk 著、IEEE 論文、給電関連、4巻、4号、1989年10月、2187頁-2195頁)に詳細に記載されているように、地面から実効ある高さhでのエアー・ターミナルにとって、正の連続するリーダー開始空間電位は、以下のように表すことができる。
Ic=1556/(1+3.89/h) (kV,m) …(2)
上記に関連して、実効ある高さの制限を決定するために、上記(1)式および(2)式を引用すると、
gm・h=1556/(1+3.89/h) …(3)
以上より、下記が得られる。
=1556/Egm−3.89 (m,kV/m) …(4)
The lightning protection device of the present invention whose outline has been described above is specifically designed to satisfy the following conditions.
Considering the effective height h of the air terminal, the average value at the maximum ambient electric field along the height or length of the air terminal is considered to correspond to E gm . Correspondingly, the maximum space potential generated by the slow surrounding ground electric field is given by:
U gm = E gm · h (1)
A typical E gm value at a moderately elevated air terminal from flat ground is “Atmospheric electricity in unstable weather” (Geophysics and Academic Journal, British Meteorological Agency, London, 84, 1949) Pp. 1-51) will be 20 kV / m as described by G. Simpson. In addition, "Model for the start of switching impulse reader and destruction of long air gap" (Farouk AMRizk, IEEE paper, power supply, Vol. 4, No. 1, January 1989, pages 596-606) " In addition, “Intensity of switching impulse of air insulator: Criteria for starting leader” (Farouk AMRizk, IEEE paper, related to power supply, Vol. 4, No. 4, October 1989, pp. 2187 to 2195) As described, for an air terminal at an effective height h from the ground, a positive continuous leader starting space potential can be expressed as:
U Ic = 1556 / (1 + 3.89 / h) (kV, m) (2)
In connection with the above, in order to determine the effective height limit, quoting Equation (1) and Equation (2) above,
E gm · h o = 1556 / (1 + 3.89 / h o ) (3)
From the above, the following is obtained.
h o = 1556 / E gm −3.89 (m, kV / m) (4)

一般に、Egmは、周囲のトポロジーに依存する。上記で述べたように、平らな地面上に搭載された雷用ロッドに対して、Egmは、20kV/mにすることができ、その結果、この特定なケースのために、hとして74mが許容される。 In general, E gm depends on the surrounding topology. As mentioned above, for a lightning rod mounted on a flat ground, E gm can be 20 kV / m, so that for this particular case h o is 74 m Is acceptable.

h<hに従うとき、最大空間電位Ugmは、周囲地面の電界のおかげで、正の連続するリーダー開始空間電位UIcよりも低くなるであろう。この実効的な高さの範囲内において、自己保護に対するエアー・ターミナルのいかなる傾向も、空間電位Ugmにおいて、エアー・ターミナルの表面上のいずれの点における電位が、コロナ開始電界Eciに等しいかまたは以下であることで、防がれることになる。空間電位のいかなる値にとって、すなわち、周囲地面の電界およびエアー・ターミナルの高さにとって、エアー・ターミナルの表面上のいずれの点における電界が、数値的な電界の計算技術、例えば充電シミュレーションによって決定することができる。このことは、「高電圧電界の計算のための充電シミュレーション方法」(IEEE 論文、PAS-93巻、5号、1974年 9月/10月、1660頁〜1668頁)内に、H. Singer、H. Stenbigler、および P.Weiss によって開示されている。上記の導電デバイスでの好ましい配置での幾何学的パラメータr、R、およびnは、Ugmでの最大適用電界が、コロナ開始電位Eciに等しくなるように選択するべきであろう。このコロナ開始電位Eciは、「高電圧ネットワーク内のサージ」(K.Ragallar 編集、1979年 165頁〜 205頁)内の「空気ギャップ絶縁の電気的強度」(L.Thione 著)に記載されており、下式で表現される。
ci=2300[1+0.224/(2r)0.37] (kV/m、m) …(5)
ここで、rは、導電デバイスのトロイドの小半径である。表面の粗さによるEciの僅かな減少は、上記Egmの選択において間接的に考慮できることに注目するべきである。
When following h <h o, maximum space potential U gm, thanks to the electric field around the ground, will be lower than the positive continuous leader inception space potential U Ic. Within this effective height range, any tendency of the air terminal to self-protection is that at the spatial potential U gm , the potential at which point on the surface of the air terminal is equal to the corona onset electric field E ci . Or it can be prevented by the following. For any value of space potential, i.e. for the electric field of the surrounding ground and the height of the air terminal, the electric field at any point on the surface of the air terminal is determined by a numerical electric field calculation technique, e.g. charging simulation. be able to. This is described in “Charging simulation method for calculation of high voltage electric field” (IEEE paper, PAS-93, No. 5, September / October 1974, pp. 1660-1668). Disclosed by H. Stenbigler and P. Weiss. The geometric parameters r, R, and n in the preferred arrangement for the conductive device described above should be selected such that the maximum applied field at U gm is equal to the corona onset potential E ci . This corona onset potential E ci is described in “Electrical strength of air gap insulation” (by L. Thione) in “Surge in high voltage networks” (K. Ragallar, pp. 165-205, 1979). It is expressed by the following formula.
E ci = 2300 [1 + 0.224 / (2r) 0.37 ] (kV / m, m) (5)
Here, r is the small radius of the toroid of the conductive device. It should be noted that a slight decrease in E ci due to surface roughness can be indirectly considered in the E gm selection.

h>hのときの平らな地面の上にあるエアー・ターミナルにとって、(2)式によって表現される連続するリーダー開始空間電圧に対応する空間電位は、約1500kVで実際は一定になるであろう。この高さの範囲内で、上記の好ましい導電デバイスでのパラメータr、R、およびnは、この空間電位で、得られる電界が上記(5)式のコロナ開始電界を満たすことができるように選択されるべきである。 for the air terminal at the top of the flat ground at the time of the h> h o, space potential that corresponds to the leader inception space voltage to be continuously represented by the equation (2), it will actually become constant at about 1500kV . Within this height range, the parameters r, R, and n in the above preferred conductive device are selected so that at this spatial potential, the resulting electric field can satisfy the corona onset field of equation (5) above. It should be.

好ましいことに、現実においてエアー・ターミナルの寸法で限定された数は、デザインされた空間電位の段階を、例えば200kV以下、200kV〜400kV、400kV〜600kV等をカバーするように使用できるであろう。   Preferably, a practically limited number of air terminal dimensions could be used to cover the designed space potential steps, for example 200 kV or less, 200 kV to 400 kV, 400 kV to 600 kV, etc.

エアー・ターミナルの実際の高さにとって、上記(1)式および(2)式の電極の計算は、実効あるエアー・ターミナルの高さに基づいて、デザインする空間電位を、約200−1500kVの範囲で変更できる。ターミナル電極のデザイン・パラメータは、全体の半径Rを範囲10−100cm内で変更できることを示した。管状導体の半径rは、0.5−2.5cmの範囲内で変更できる。管状の環状形体の数値nは、球面の周囲に沿って適切に空間を占めるように、6から12の範囲内で選択することができる。推奨するターミナル電極の形状の雨に対する非感受性は、長い空気ギャップ上での正のスイッチング・インパルスの試験によって確認することができた。このことは、本願で挙げた文献の一例である「大きな電極の空気ギャップのスイッチング・インパルスの放電開始電圧での雨による影響」(F.A.M.Rizk 著、IEEE 論文、パワー装置及びシステムの関連、PAS-95巻、4号、1976年7月/8月、1394頁-1402頁)内に、詳細を記載している。全体の半径Rが75cmで、トロイドの半径rが1.25cmおよびトロイドの数値n=8の管状のトロイドの電極にとって、人工雨のもとで、正のスイッチング・インパルス50%の放電開始電圧で、987kVに達した。IEC規格60、すなわち982kVまでに達する規格を満足している。これは、雨が実際に絶縁破壊に影響を与えることがなく、従って本願発明の雷用保護装置の正のリーダー開始電圧にも影響を与えることがないことを示す。直径1mの円滑な球形の電極を完全にカバーする同一のギャップにとって、対応する破壊電圧は、上述した科学参照文献をもとに後で説明するように、乾燥条件下の1481kVから、雨の下での897kVに低下させることになる。   For the actual height of the air terminal, the calculation of the electrodes in the above formulas (1) and (2) is based on the effective height of the air terminal, and the designed space potential is in the range of about 200-1500 kV. Can be changed. The terminal electrode design parameters indicated that the overall radius R could be varied within the range 10-100 cm. The radius r of the tubular conductor can be varied within the range of 0.5-2.5 cm. The numerical value n of the tubular annular feature can be selected within the range of 6 to 12 so as to properly occupy space along the circumference of the spherical surface. The insensitivity of the recommended terminal electrode shape to rain could be confirmed by testing positive switching impulses over a long air gap. This is an example of the literature cited in this application: “Effects of rain on the discharge start voltage of the switching impulse of a large electrode air gap” (FAMRizk, IEEE paper, connection of power devices and systems, PAS- No. 95, No. 4, July / August 1976, pages 1394-1402). For a tubular toroid electrode with an overall radius R of 75 cm, a toroid radius r of 1.25 cm and a toroid number n = 8, under artificial rain, with a discharge starting voltage of 50% positive switching impulse. 987 kV. The IEC standard 60, that is, the standard reaching 982 kV is satisfied. This indicates that rain does not actually affect the breakdown and therefore does not affect the positive leader starting voltage of the lightning protection device of the present invention. For the same gap that completely covers a smooth spherical electrode with a diameter of 1 m, the corresponding breakdown voltage is from 1481 kV under dry conditions, as described later on the basis of the scientific references mentioned above, under rain. To 897 kV.

実験室での試験における、本願発明の雷用保護装置の印象的な物理的説明は、以下と考える。
・カバーされていない管状のトロイドの球形は、全面球面の表面よりもはるかに少ない降水を収集する。
・雨滴は、電界が低減された連続のトロイド間でのトロイドの管状の低位の表面に収集される傾向にある。
・同一直径の円滑な球形の管状に比較した、より小さな管状の半径により、水滴または汚染物によるかく乱は、益々重要ではなくなる。
An impressive physical description of the lightning protection device of the present invention in laboratory testing is considered as follows.
The uncovered tubular toroid sphere collects much less precipitation than the entire spherical surface.
Raindrops tend to be collected on the lower surface of the toroidal tube between successive toroids with a reduced electric field.
-Due to the smaller tubular radius compared to a smooth spherical tube of the same diameter, disturbance by water drops or contaminants becomes less important.

本願発明によれば、標準的なフランクリン・ロッドであれば、好都合なことに、どのようなロッドでも、多様なサイズの金属のトロイドのセット内に包み込むことで変形させることができ、また本願発明の雷用保護装置を形成するように上記ロッドと個別に結合させることができることを述べておく。   According to the present invention, any standard Franklin rod can advantageously be deformed by wrapping it in a set of metal toroids of various sizes. It should be noted that the rod can be individually coupled to form a lightning protection device.

図において、トロイドは、水平に方向付けられることを示しているが、別の方向に、非制限の一例として垂直に方向付けることもできることも述べておく。しかしながら、トロイドが垂直に方向付けられたとき、うまく機能しないであろう。それは、差異は小さいかもしれないが、湿気および水滴が、電界が存在しない位置に形成されることで、トロイドが水平に方向付けられたときに電界が低減したようにはならないであろう。   Although the figure shows that the toroids are oriented horizontally, it should also be noted that they can be oriented vertically as an example of a non-limiting example in another direction. However, it will not work well when the toroid is oriented vertically. Although the difference may be small, moisture and water droplets will not form as the electric field is reduced when the toroid is oriented horizontally by forming in locations where there is no electric field.

本願発明に関連する技術に精通した人は、本願発明による雷用保護装置が、雷用ロッドを今まで使用していた場所に使用できることは容易に理解されるであろう。   Those skilled in the art related to the present invention will readily understand that the lightning protection device according to the present invention can be used where the lightning rod has been used.

本願発明の好ましい実施例を、添付図面により明細書で説明してきたが、本願発明は、上記の詳細な実施例に制限されるものではなく、種々の変更および改良が、本願発明の範囲から逸脱すること無く実施できることを理解されるであろう。   Although preferred embodiments of the present invention have been described in the specification with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to the detailed embodiments described above, and various modifications and improvements depart from the scope of the present invention. It will be understood that this can be done without doing so.

Claims (5)

接地されたフランクリン・ロッドと、該フランクリン・ロッドに電気的に結合する、所定の周囲サイズを有する所定の全体形状を規定する導電デバイスと、を備える雷用保護装置であって、
前記導電デバイスは、連続する上方向のリーダー開始空間電位が周囲地面の最大電界の空間電位より以下である地面から上にある所定位置のために、乾燥状態および湿潤状態の両方において、前記保護装置のコロナ開始空間電位が前記連続する上方向のリーダー開始空間電位と一致するような形状とサイズとを有し、さらに、前記連続する上方向のリーダー開始空間電位が前記周囲地面の最大電界の空間電位を越える地面から上にある他の所定位置のために、前記保護装置のコロナ開始空間電位が、前記周囲地面の最大電界の空間電位より上にあって、かつ前記連続する上方向のリーダー開始空間電位より下にあって、前記保護装置のコロナ開始空間電位が、汚染について表面突起部で実質的に無反応である形状とサイズとを有する雷用保護装置。
A lightning protection device comprising: a grounded Franklin rod; and a conductive device defining a predetermined overall shape having a predetermined peripheral size electrically coupled to the Franklin rod;
The conductive device is configured to protect the protective device in both dry and wet conditions due to a predetermined position above the ground where the continuous upward leader starting space potential is less than the space potential of the maximum electric field of the surrounding ground. A shape and a size such that the coronal start space potential of the second line coincides with the continuous upward leader start space potential, and the continuous upward leader start space potential is a space of the maximum electric field of the surrounding ground. For other predetermined positions above the ground above the potential, the corona start space potential of the protective device is above the space potential of the maximum electric field of the surrounding ground and the continuous upward leader start Lightning protection having a shape and size that is below the space potential and the corona onset space potential of the protection device is substantially unreactive at the surface protrusions for contamination Location.
前記導電デバイスは、前記フランクリン・ロッドに沿って配置された複数の金属性のトロイドを含み、各々のトロイドは、前記フランクリン・ロッドに結合している請求項1に記載の雷用保護装置。   The lightning protection device of claim 1, wherein the conductive device includes a plurality of metallic toroids disposed along the Franklin rod, each toroid being coupled to the Franklin rod. 前記トロイドの各々は、所定の大直径および所定の小直径を有し、トロイド全体の形状を球形の形状として規定するように配置される請求項2に記載の雷用保護装置。   The lightning protection device according to claim 2, wherein each of the toroids has a predetermined large diameter and a predetermined small diameter, and is disposed so as to define a shape of the entire toroid as a spherical shape. 前記トロイドの各々は、所定の大直径および所定の小直径を有し、トロイド全体の形状を楕円の形状として規定するように配置される請求項2に記載の雷用保護装置。   3. The lightning protection device according to claim 2, wherein each of the toroids has a predetermined large diameter and a predetermined small diameter, and is arranged to define the shape of the entire toroid as an elliptical shape. 前記フランクリン・ロッドは、実質的に垂直方向に延びており、前記トロイドの各々は、前記フランクリン・ロッドの周りで実質的に水平方向に延びている請求項2に記載の雷用保護装置。   The lightning protection device of claim 2, wherein the Franklin rod extends substantially vertically, and each of the toroids extends substantially horizontally around the Franklin rod.
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